1第九章第九章 气候变化气候变化第一节第一节 气候变化的概念气候变化的概念第二节第二节 气候变化史实气候变化史实第三节第三节 气候变化的影响因素气候变化的影响因素第四节第四节 气候变化研究方法气候变化研究方法2气候（标准态）气候（标准态）：在太阳辐射和气候系在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一区域统各子系统相互作用下，地球上某一区域在某一特定时段内在某一特定时段内天气天气的的多年平均状况多年平均状况及及其极端情形其极端情形3地球上某一区域在某一地球上某一区域在某一特定时段内特定时段内天气天气的某一年份或指定年的某一年份或指定年份份平均状况平均状况4世界世界1月海平面气温（摄氏度）的分布月海平面气温（摄氏度）的分布5温度距平（温度距平（）年年公元公元18562003年全球地表温度变化年全球地表温度变化（相对于（相对于19611990年年30年气候平均）年气候平均）l 1860-2000年全球地表温度上升年全球地表温度上升0.40.8(平均平均0.6)；l 近百年间近百年间17个最暖年份出现在个最暖年份出现在1983年以后l 20世纪以来，世纪以来，1998年最暖，年最暖，2002年和年和2003年分别为第二和第三暖年。
年分别为第二和第三暖年67气候趋势气候趋势：气候的长期变化倾向，即在气候的长期变化倾向，即在记录时期记录时期(特定时期）具有单调地特定时期）具有单调地上升上升或或下降下降特点的气候变化（特点的气候变化（线性线性和和非线性非线性趋势趋势）89101880-19961880-1996年中国东部年中国东部3535站的年降水量距平（以站的年降水量距平（以1961-19901961-1990年为基准期）年为基准期）（王绍武，（王绍武，19981998）11121314气候状态（或稳定气候状态（或稳定持续的变化趋势或气候波动）跳跃式地持续的变化趋势或气候波动）跳跃式地转变到另一种气候状态（或稳定持续的转变到另一种气候状态（或稳定持续的变化趋势或气候波动）的现象变化趋势或气候波动）的现象15气候波动：年际、年气候波动：年际、年代际等尺度波动代际等尺度波动16周期段周期段时间尺度时间尺度振幅（振幅（C C）大冰期与大间冰期大冰期与大间冰期 几百万年几百万年-几亿年几亿年 1010亚冰期与亚间冰期亚冰期与亚间冰期 十万年十万年8-98-9副冰期与副间冰期副冰期与副间冰期一-几万年几万年5-75-7寒冷期（小冰期）寒冷期（小冰期）与温暖期（小间冰与温暖期（小间冰期）期）几百年几百年-几千年几千年2 2世纪及世纪内的气世纪及世纪内的气候变动候变动几年几年-几十年几十年0.50.517变化的时间尺度 主要特征、形成原因资料来源、分析和研究方法地质时期气候变化地质时期气候变化历史时期气候变化历史时期气候变化 现代气候变化现代气候变化气候变化时期的划分气候变化时期的划分1.气候变化的多时间尺度性气候变化的多时间尺度性短期气候变化短期气候变化（月，季，年）；中期气候变化中期气候变化，其时间尺度为几年（年际变化）；长期气候变化长期气候变化，其时间尺度为几十年（年代际变化）；超长期气候变化超长期气候变化，其时间尺度为几百年（世纪际变化）；历史时期气候变化历史时期气候变化，其时间尺度为千年；地质期气候变化地质期气候变化，其时间尺度为万年或更长。
由于有气候资料记载的时间不过几百年，对于气候变化研究也就主要集中在前四个时间尺度，尤其是前三个时间尺度的变化但是，为了深入认识气候演变规律，探索气候变化的原因，历史时期和地质时期的气候变化问题也是很值得研究的多时间尺度性多时间尺度性阶段性阶段性突变性突变性 气候变化的阶段性同气候变化的时间尺度是紧密联系的，不同时间尺度的变气候变化的阶段性同气候变化的时间尺度是紧密联系的，不同时间尺度的变化也就有不同的阶段性化也就有不同的阶段性近千年来的气候变化也有其阶段性，在近千年来的气候变化也有其阶段性，在13001800年间的年间的小冰期小冰期平均气温偏低，而在平均气温偏低，而在小冰期前后小冰期前后平均温度却相当高在过平均温度却相当高在过去的去的50万年的时间里，万年的时间里，冰期和间冰期有交替出现的现象冰期和间冰期有交替出现的现象2.气候变化的阶段性气候变化的阶段性20中国东部夏季降水均值突变均值突变：从一个气候基本状态（以某一平均值表示）：从一个气候基本状态（以某一平均值表示）向另一个气候基本状态的急剧变化向另一个气候基本状态的急剧变化趋势突变趋势突变：两个气候阶段有完全不同的变化趋势，例：两个气候阶段有完全不同的变化趋势，例如，某个气候阶段温度一致持续下降，其后一个气候阶如，某个气候阶段温度一致持续下降，其后一个气候阶段的温度一致持续上升。
段的温度一致持续上升变率突变：变率突变：变率突变包括两种情况，其一是变率突变包括两种情况，其一是振幅振幅有明有明显差异的突变；其二是显差异的突变；其二是频率频率有明显差异的突变有明显差异的突变3.气候变化的突变性气候变化的突变性23第二节第二节24地质年代地质年代气候概况气候概况代代纪纪世世纪持续时间纪持续时间（百万年）（百万年）纪开始年龄（百万年纪开始年龄（百万年BP）新生代新生代第四纪第四纪全新世全新世22大冰期大冰期更新世更新世大间冰期大间冰期第三纪第三纪上新世上新世6466中新世中新世渐新世渐新世始新世始新世古新世古新世中生代中生代白垩纪白垩纪66132侏罗纪侏罗纪53185三叠纪三叠纪50235古生代古生代二叠纪二叠纪45280大冰期大冰期石炭纪石炭纪65345泥盆纪泥盆纪55400大间冰期大间冰期志留纪志留纪35435奥陶纪奥陶纪55490寒武纪寒武纪80570元古代元古代震旦纪震旦纪30600大冰期大冰期太古代太古代2526发生时间发生时间：在早古生代，距今约在早古生代，距今约6亿年前主要特点主要特点：这次冰期的影响范围几乎遍及：这次冰期的影响范围几乎遍及世界五大洲，我国长江中下游地区都有震世界五大洲，我国长江中下游地区都有震旦纪冰碛层。
旦纪冰碛层28主要在南半球；主要在南半球；在北半球在北半球(除印度外除印度外)到目前为止还没有发现到目前为止还没有发现属于这次冰期的可靠遗迹属于这次冰期的可靠遗迹主要特征主要特征：存在亚冰期与亚间冰期的冷暖：存在亚冰期与亚间冰期的冷暖反复交替反复交替29距今年数（万年）距今年数（万年）欧洲的亚冰期欧洲的亚冰期中国的亚冰期中国的亚冰期10武木亚冰期武木亚冰期大理亚冰期大理亚冰期20里斯里斯-武木间冰期武木间冰期30里斯亚冰期里斯亚冰期庐山亚冰期庐山亚冰期40-60民德民德-里斯间冰期里斯间冰期70民德亚冰期民德亚冰期大姑亚冰期大姑亚冰期80-90群智群智-民德间冰期民德间冰期100-110群智亚冰期群智亚冰期鄱阳湖亚冰期鄱阳湖亚冰期120-130多脑多脑-群智间冰期群智间冰期140-160多脑亚冰期多脑亚冰期3031 近近40万年以来的气候变化万年以来的气候变化 副冰期-副间冰期旋回 南极东方站（南极东方站（Vostok）冰芯反演得到的气温、）冰芯反演得到的气温、CO2、CH4的变化的变化末次冰期冰盛期末次冰期冰盛期（Last Glacial Maximum:LGM)21kaBP末次冰期（末次冰期（1.8万年万年BP）中气候最冷、冰川规模最大时段）中气候最冷、冰川规模最大时段全球降温全球降温5-10C，降水普遍减少，冷干气候特征，降水普遍减少，冷干气候特征32（1）寒武纪）寒武纪石炭纪大间冰期石炭纪大间冰期发生时间发生时间：距今约距今约36亿年。
亿年基本特征基本特征：雪线升高，冰川后退，气候雪线升高，冰川后退，气候显著变暖显著变暖石炭纪石炭纪在地质史上又称在地质史上又称为为成煤纪成煤纪我国都处于热带气候我国都处于热带气候33（2）三叠纪一第三纪大间冰期）三叠纪一第三纪大间冰期发生时间：发生时间：距今约距今约2.5亿年亿年-200万年，万年，包括三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生包括三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代的第三纪代的第三纪主要特征主要特征：三叠纪时气候炎热而干燥，三叠纪时气候炎热而干燥，其后侏罗纪的气候由干热转为湿热，其后侏罗纪的气候由干热转为湿热，有利于植物生长，造成继石炭纪之后有利于植物生长，造成继石炭纪之后的第二个成煤时期的第二个成煤时期341 定义定义:从第四纪大冰期中的武木（大理）亚从第四纪大冰期中的武木（大理）亚冰期的最近一次副冰期之后的冰期的最近一次副冰期之后的1万年至有器测万年至有器测资料的资料的“冰后期冰后期”气候从地质年代来看，气候从地质年代来看，该时期也称为该时期也称为全新世气候全新世气候2 资料来源：资料来源：冰芯、树木年轮、黄土、湖泊沉冰芯、树木年轮、黄土、湖泊沉积、历史文献等积、历史文献等3 特点：特点：温暖期与寒冷期交替出现温暖期与寒冷期交替出现354 主要气候事件主要气候事件末次冰期冰盛期（末次冰期冰盛期（Last Glacial Maximum:LGM)21kaBP新仙女木事件（新仙女木事件（Younger Dryas:YD）12.2-10.5kaBP全新世大暖期（全新世大暖期（Megathermal in Holocene）8.5-3.0kaBP中世纪暖期中世纪暖期(Medieval Warm Period)AD 900-1300 小冰期小冰期(Little Ice Age)AD 1320-192036新仙女木事件（新仙女木事件（YD）12.2-10.5kaBP全球冰川消退、气候全球冰川消退、气候回暖过程中发生的气回暖过程中发生的气候突变事件，候突变事件，YD结束结束后即进入温暖湿润的后即进入温暖湿润的全新世全新世全新世大暖期全新世大暖期8.5-3.0kaBP间冰期中最暖阶段，间冰期中最暖阶段，该阶段时限较宽，包该阶段时限较宽，包含一些气候波动。
总含一些气候波动总体上暖于现代，降水体上暖于现代，降水多于现代多于现代全新世千年尺度气候全新世千年尺度气候波动与气候事件波动与气候事件全新世存在千年尺度全新世存在千年尺度气候波动平均周期气候波动平均周期1.45ka11kaBP以来以来有有9个寒冷期，最近个寒冷期，最近一次为小冰期一次为小冰期.大暖期大暖期（8.5-3.0kaBP）8.2kaBP冷事件冷事件中世纪暖期中世纪暖期(AD 900-1300)小冰期（小冰期（AD 1320-1920）现代增暖（现代增暖（20世纪）世纪）近近2 2万年以来的气候变化万年以来的气候变化37历史时期的气候变迁（近数千年的气候史）38全新世暖期中国温度较现代增加的幅度全新世暖期中国温度较现代增加的幅度（单位:施雅风等，1992）oooooooooo12013012535451102350045700250750km100809039180360540720900108012601440162018001980-1.5-1.0-0.50.00.51.0960990 1020 1050 1080 1110-0.50.00.51.015001550160016501700175018001850190019502000-1.5-1.0-0.50.00.51.0-1.00.01.0-0.6-0.4-0.20.00.2800100012001400160018002000上图：中国过去2000年（加权）温度距平，分辨率：10年。
粗线为3点滑动（Yang et al,2002）下图：东部过去1200年的温度距平，分辨率：50年据王绍武等，2000b）过去过去20002000年中国东部温度变化年中国东部温度变化40012345678910-202-20020量水降度温KaB.P.青海湖孢粉所显示的近青海湖孢粉所显示的近10ka10ka气温（气温（）、降水量（）、降水量（%）变化）变化（王绍武等，（王绍武等，2002a2002a）全新世大暖期全新世大暖期411 器测资料：器测资料：最早有气象观测记录地方最早有气象观测记录地方 佛罗伦萨佛罗伦萨（1652），伦敦（），伦敦（1668），巴黎（），巴黎（1752）2 主要气候变化现象主要气候变化现象1）全球增暖）全球增暖(Global Warming)42过去过去140年来地球表面气温变化情况年来地球表面气温变化情况IPCC TAR:0.60.2C,0.58C/100a 43过去150年来地球表面气温变化情况IPCC AR4:0.450.12C,0.74C/100a4445全球、南北半球温度变化趋势对比（全球、南北半球温度变化趋势对比（CRUCRU）（/10a/10a）（）（IPCCIPCC，20072007）18502005年年19012005年年19792005年年全球0.0420.0120.0710.0170.1630.046北半球0.0470.0130.0750.0230.2340.070南半球0.0380.0140.0680.0170.0920.038陆地0.0540.0160.0840.021 0.2680.069海洋0.0380.0110.0670.0150.1330.04746全球温度变化趋势（全球温度变化趋势（/10a/10a）（IPCC AR5IPCC AR5）19012012：0.89C (0.69C1.08C)19512012：0.72C (0.49C0.89C)年平均气温的变化趋势年平均气温的变化趋势474849Johannessen et al.(2004)全球增暖的证据：北极海冰面积减少全球增暖的证据：北极海冰面积减少50全球增暖的证据：海平面上升全球增暖的证据：海平面上升515253中国年平均气温距平中国年平均气温距平 (1880-1999(1880-1999年年)(国家评估报告：0.20.8C/100a)1880190019201940196019802000-1.0-0.50.00.51.0Temperature/CTime/Yearo1998年是近百年最暖的年是近百年最暖的1年，年，1990s是最暖的是最暖的10年年54809010011012013020304050中国年平均气温变化趋势（中国年平均气温变化趋势（%/10a）分布图（分布图（19601999）55全球气候变化的基本特征全球气候变化的基本特征 全球地质时期气候变化的时间尺度在全球地质时期气候变化的时间尺度在2222亿年到亿年到1 1万万年以上，以大冰期和大间冰期的交替出现为特征，年以上，以大冰期和大间冰期的交替出现为特征，气温变化幅度在气温变化幅度在1010C C以上以上 历史时期的气候变化是近历史时期的气候变化是近1 1万年来，主要是近万年来，主要是近50005000年来的气候变化，变化的幅度最大不超过年来的气候变化，变化的幅度最大不超过2-32-3C C 近代的气候变化主要是指近百年或近代的气候变化主要是指近百年或2020世纪以来的世纪以来的气候变化，气温振幅在气候变化，气温振幅在0.5-1.00.5-1.0C C之间。
之间562）近百年全球降水变化）近百年全球降水变化1900-20051900-2005年全球陆地降水距平的时间序列年全球陆地降水距平的时间序列（以（以1981-20001981-2000年年GHCNGHCN为平均值）（为平均值）（IPCCIPCC，20072007）5758 近百年来，全球平均降水无显著趋势变化近百年来，全球平均降水无显著趋势变化 不同数据集趋势间存在明显差异，同时降不同数据集趋势间存在明显差异，同时降水也有较大时空变率水也有较大时空变率北半球中纬度陆地降水很可能总体上呈增北半球中纬度陆地降水很可能总体上呈增加趋势5960近百年中国降水变化近百年中国降水变化1880-19961880-1996年中国东部年中国东部3535站的年降水量距平站的年降水量距平（以（以1961-19901961-1990年为基准期）年为基准期）（王绍武，（王绍武，19981998）无明显趋势无明显趋势20-30年周期年周期61（1）近百年降水量并无明显趋势近百年降水量并无明显趋势2）降水量的变化存在）降水量的变化存在20-30年的干湿期交替：年的干湿期交替：旱期：旱期：19世纪末到世纪末到20世纪初有强旱期世纪初有强旱期 20世纪世纪30年代年代 20世纪世纪60-70年代年代丰水期：丰水期：20世纪初期世纪初期 20世纪世纪50年代年代6364656667气候变化的影响因素气候变化的影响因素 自然原因自然原因 银河系变化、太阳演化、太阳活动银河系变化、太阳演化、太阳活动 地球轨道参数（轴倾、岁差、偏心率）地球轨道参数（轴倾、岁差、偏心率）大陆漂移、造山运动、火山活动大陆漂移、造山运动、火山活动 海洋环流与海海洋环流与海-冰冰-气气-陆相互作用陆相互作用 人为原因人为原因 温室气体、气溶胶排放温室气体、气溶胶排放 土地使用、热带雨林破坏土地使用、热带雨林破坏 城市化城市化 时间尺度时间尺度 不同时间尺度气候变化、形成机制不同不同时间尺度气候变化、形成机制不同第三节第三节68 冰期冰期-间冰期循环（万年尺度）的形成机制间冰期循环（万年尺度）的形成机制米兰科维奇理论米兰科维奇理论(Milankovitch,1941)冰期天文理论冰期天文理论轨道参数的周期性变动轨道参数的周期性变动69160万万年年以以来来地地球球轨轨道道参参数数变变化化地轴倾角（黄赤交角）地轴倾角（黄赤交角）4.1万年周期万年周期岁差岁差2.2万年周期万年周期偏心率偏心率9.58万年周期万年周期1 1）地球轨道偏心率）地球轨道偏心率 描述地球绕太阳运动轨道描述地球绕太阳运动轨道的圆扁程度，值越大越扁，的圆扁程度，值越大越扁，值越小越圆。
值越小越圆轨道偏心率越小轨道偏心率越小(越接近越接近圆形圆形)时，四季变化相对时，四季变化相对较不明显，也不易有冰期较不明显，也不易有冰期的发生反之，偏心率越的发生反之，偏心率越接近接近1(1(但不等于但不等于)的轨道，的轨道，四季明显，也较易产生冰四季明显，也较易产生冰期每隔每隔1010万年万年，地球公转轨，地球公转轨道的偏心率变化一个周期道的偏心率变化一个周期7121.8 24.5，现在为，现在为23.44 地轴倾斜度的影响表现在：地轴倾斜度的影响表现在：角度越大，高纬度地区因接受辐射的时间差异较角度越大，高纬度地区因接受辐射的时间差异较大，易形成冰期大，易形成冰期地轴倾斜度增加：地轴倾斜度增加：高纬度辐射量夏季增大，冬季高纬度辐射量夏季增大，冬季减少，年较差增大，且年辐射量增加；赤道地区减少，年较差增大，且年辐射量增加；赤道地区年辐射量减少年辐射量减少2 2）地轴倾斜度）地轴倾斜度(黄赤交角的变化黄赤交角的变化)723 3）岁差）岁差在远日点时，在远日点时，若北半球倾向太若北半球倾向太阳冬天温度将会阳冬天温度将会相对较高；若因相对较高；若因进动而导致南半进动而导致南半球在远日点时倾球在远日点时倾向太阳，北半球向太阳，北半球的冬天将较为酷的冬天将较为酷寒。
寒加上北半球陆加上北半球陆地多，比热小，地多，比热小，温度容易下降，温度容易下降，而较容易形称冰而较容易形称冰期73 火山火山灰尘和硫酸气溶胶灰尘和硫酸气溶胶进入进入到到平流层平流层下层下层，由于不会由于不会受到于水的冲刷，它能扩散到整个半球，低纬度的喷发受到于水的冲刷，它能扩散到整个半球，低纬度的喷发能扩散到全球，并在中高纬保持最大浓度，最后在极冠能扩散到全球，并在中高纬保持最大浓度，最后在极冠落下落下强烈强烈反射和散射太阳辐射，削弱到达地面的反射和散射太阳辐射，削弱到达地面的直接辐射直接辐射 火山灰火山灰停留时间短（几个月），硫酸气溶胶可停留数停留时间短（几个月），硫酸气溶胶可停留数年，可长时间对地面产生净冷却年，可长时间对地面产生净冷却效应效应引起引起不同程度的全球气候波动：全球性的气温降低、不同程度的全球气候波动：全球性的气温降低、降水增加、直接辐射减弱、散射辐射增加等降水增加、直接辐射减弱、散射辐射增加等2 2）火山活动呈现周期性变化（如高桥浩一）火山活动呈现周期性变化（如高桥浩一7475761）太阳活动的表征：太阳黑子太阳黑子多，太阳活）太阳活动的表征：太阳黑子太阳黑子多，太阳活动强，太阳光斑增加，太阳辐射增加动强，太阳光斑增加，太阳辐射增加.2）太阳活动的周期性特征：）太阳活动的周期性特征：11年（太阳活动周）、年（太阳活动周）、22年（海尔周期）、世纪尺度；年（海尔周期）、世纪尺度；3）太阳活动周期与气候振动）太阳活动周期与气候振动11年周期里，地球气候表现单的和双振动现象。
如年周期里，地球气候表现单的和双振动现象如地球上雷暴频数、大气环流特征、气温等存在双振地球上雷暴频数、大气环流特征、气温等存在双振动现象（动现象（5-6年周期年周期）地球地球气候表现出与太阳活动气候表现出与太阳活动22年周期一致的海尔周年周期一致的海尔周期现象，如气压、气温、降水、阻塞高压频率、大期现象，如气压、气温、降水、阻塞高压频率、大气活动中心位置气活动中心位置等等太阳活动太阳活动世纪周期与气候振动具有密切的联系，环世纪周期与气候振动具有密切的联系，环流强度、台风频数流强度、台风频数等等7778百年百年-千年尺度气候变化的形成机制千年尺度气候变化的形成机制海海-气相互作用气相互作用大西洋温盐环流（大西洋温盐环流（THC）变化）变化79 全球温盐环流回路全球温盐环流回路80 北大西洋温盐环流的变化北大西洋温盐环流的变化 导致千年尺度气候变化导致千年尺度气候变化81 北大西洋温盐环流的减弱或停止北大西洋温盐环流的减弱或停止 导致冷的气候突变事件导致冷的气候突变事件海表温度海表温度盐度盐度82为何现代气候增暖归因于人类活动？为何现代气候增暖归因于人类活动？增强的温室效应机制增强的温室效应机制数值模拟研究表明：单纯的自然变率不足以导致数值模拟研究表明：单纯的自然变率不足以导致工业化以来以全球增暖为主要特征的气候变化工业化以来以全球增暖为主要特征的气候变化8384未来气候变化的预估未来气候变化的预估（Projection)温室气体的排放情景温室气体的排放情景 (ScenarioScenario)不确定性不确定性（UncertaintyUncertainty）气候突变气候突变 (Abrupt ChangeAbrupt Change)858621世纪全球气温预估世纪全球气温预估（不同模式、不同排放情景，（不同模式、不同排放情景，IPCC TAR）8788由于二氧化碳在大气中能稳定存在约由于二氧化碳在大气中能稳定存在约200年，即年，即使保持当前的排放水平，也无法在短时间内使得使保持当前的排放水平，也无法在短时间内使得二氧化碳浓度达到二氧化碳浓度达到稳定稳定89Land areas are projected to warm more than the oceans with the greatest warming at high latitudesAnnual mean temperature change,2071 to 2100 relative to 1990:Global Average in 2085 =3.1oC9091未来气候突变的可能性未来气候突变的可能性美国国防部秘密报告：An Abrupt Climate Change Scenario and Its Implication for United States National Security（气候突变情景及其对美国国家安全的含义）电影：The Day after Tomorrow（后天）（后天）20122121世纪某个时段北大西洋温盐环流世纪某个时段北大西洋温盐环流减弱或崩溃？减弱或崩溃？92全球增暖情景下全球增暖情景下模拟的大西洋温盐环流崩溃及其气候后模拟的大西洋温盐环流崩溃及其气候后果果93949596979899100101。